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聚氨酯在汽车保险杠涂料的应用进展

文章来源:    时间:2019-10-14 11:15

  

汽车保险杠是吸收和减缓外界冲击力、防护车身前后部的安全装置。在汽车保险杠应用领域,聚烯烃塑料占有非常重要的地位。随着汽车工业的发展和工程塑料在汽车工业的大量应用,聚烯烃塑料成为保险杠的一种重要基材,其不仅具有保护功能,还以塑料本身轻质的特点促进汽车行业的轻量化发展。由于聚烯烃本身具有强度、刚性/韧性的良好平衡,从安全角度上看,汽车发生碰撞事故时能起到非常重要的缓冲作用,保护前后车体,从外观上看,涂装好的聚烯烃塑料可以很自然地与车体结合在一起,具有很好的装饰性,成为装饰汽车外型的重要部件。

众所周知,由于聚烯烃材料本身非极性,而且具有非常低的表面张力,一般的涂料均无法附着于其表面,要达到良好的附着能力,则需要特殊的预处理或者选用特殊的涂料。当涂装聚烯烃基材时,涂料的配制以及施工技术必须与基材相匹配,因此,聚烯烃基材的预处理、涂料配方设计和原料的选用都非常重要。

1、保险杠涂料涂装工艺的现状

塑料表面在制成工艺过程中常被脱模剂、油污或脏物污染,涂装前必须进行清洁处理,例如在强力洗涤装置中采用酸性或碱性介质进行清洗,如图1所示。

 

图1塑料表面强力洗涤过程示意

聚烯烃材料(如PP基材)的表面预处理/活化可采用火焰、电晕、等离子或者氟化。最为常见的火焰预处理是使火焰短暂地扫过部件表面,通过氧化使PP表面生成极性基团,以使后续涂装的涂料容易附着。以上的表面活化方法都需要特定的设备来完成。除此之外,还可以采用基于氯化聚烯烃的ag环亚娱乐底漆或附着力促进剂,这些经改性过的物质可以确保涂料在非极性的聚丙烯基材上获得良好的附着力。然而有机含卤素化合物的应用已成为人们争议的话题。在德国,大部分的涂装工艺是采用双组分聚氨酯底漆结合活化预处理的方式来提高PP保险杠的涂装总体的可靠性。同时,德国保险杠用的涂装工艺紧随汽车OEM涂装的进展,在底漆和色漆层已大部分采用水性涂料涂装。其工艺流程如图2所示。

 

图2德国保险杠涂装工艺示意图

在日本,保险杠采用的涂装工艺,底漆大部分采用氯化聚烯烃(简称CPO)或无氯聚烯烃(PO)来提高附着力。其工艺流程如图3所示。

 

图3日本保险杠涂装工艺示意图

随着CPO和PO技术的发展,逐渐出现水性CPO和水性PO的底漆,可降低VOC的排放,其工艺流程如图4所示。

 

图4日本保险杠水性CPO涂装工艺示意图

在中国,目前大部分的保险杠涂装工艺还是以传统的溶剂型涂料为主。其工艺流程如图5所示。

 

图5中国保险杠涂装工艺示意图

近年来,随着国内环保法规的日益严格,以及民众环保意识普遍提高,传统的溶剂型正快速向环保涂料体系转变,尤其转向水性涂料的方向。此外,汽车OEM主机厂也逐渐提出塑料部件水性化的要求,使得汽车塑料用的底漆和色漆向水性化的转变越来越迫切。

2 保险杠用低VOC涂料涂装体系示例

2.1保险杠用底漆

底漆通常有浅灰色和深灰色,也有采用与色漆颜色类似或相同的颜色。底漆的主要功能在于有效覆盖塑料底材缺陷,并能提高基材附着力。对于保险杠底漆来说,还要具备优良的重涂性、耐水性、以及低温耐冲击能力等。对于汽车而言,保险杠还要求具有良好的安全功能。所以保险杠涂料还必须具备一定的外力缓冲作用,从而起到对驾驶员和乘车者的防护。聚氨酯底漆的韧性正能满足这一要求,水性聚氨酯底漆性能尤佳。图6是不同涂层对塑料基材的保护效果实验。

 

图6塑料涂层高速冲击穿透试验下的照片

PP材质的保险杠本身具有一定的强度和韧性,选用的涂层体系也需要与基材的韧性相匹配,才能提高整体的涂装性能和最终的保护功能。因此,聚氨酯涂料作为底漆,其韧性能很好地满足保险杠的需求。这一层聚氨酯底漆通常使用聚酯或丙烯酸为主树脂,搭配基于HDI类的多异氰酸酯作为固化剂的2K聚氨酯体系。在火焰预处理后,可直接涂装双组分聚氨酯底漆。这一技术体系在欧洲已经获得成功应用。如果没有火焰预处理,则必须结合一定量的CPO(氯化聚烯烃)或PO(聚烯烃)成分来获得对PP基材足够的附着力,这通常是日系车采用的技术体系。近几年,国内日系车的生产,已经开始沿用日本的水性保险杠底漆技术。

针对某些主机厂有特别的性能要求,例如保险杠配套的整体涂料体系要能通过热蒸汽冲测试(Hotsteamjet),则一般配套的底漆会选用双组分体系才能满足要求。图7为在火焰预处理的前提条件下,双组分底漆和单组分底漆的热蒸汽冲的测试结果,结果显示左边双组分的测试结果优于右边单组分底漆。

 

图7单组分和双组分底漆热蒸汽冲对比实验

科思创研发的水性底漆树脂是基于聚烯烃改性的聚氨酯分散体(不含氯),对没有任何预处理的PP塑料具有优良的附着能力,并且耐水性能良好。与市售的产品对比详见图8。对比市售底漆1,科思创的水性底漆具有更优异的附着性能。与市售水性底漆2对比,常温自来水浸泡24h后,表面不发白,附着依然能达到5B。为了提高塑料水性色漆的喷涂效率(上漆率),减少过喷涂带来的涂料浪费,会采用静电喷涂,这就需要底漆配制成导电底漆,即在底漆中添加导电颜料。其中最重要或最常见的为导电炭黑。水性导电底漆比较关注的则是导电性以及长期贮存后的稳定性,包括底漆的黏度、颜色以及导电性等方面的稳定性。新研发的聚烯烃改性的聚氨酯分散体在这几个方面均表现了优异的应用可靠性,并得到下游涂料企业的认可。

 

图8不同保险杠底漆附着力和耐水对比

2.2保险杠用色漆

保险杠色漆的主要功能在于优良的颜色效果、耐水耐候性能、层间结合力优异、润湿施工性能良好。传统的溶剂型色漆配方中含有大量的有机溶剂(60%~70%以上),是喷漆体系中VOC排放最大的一层涂料。特别是含有一些特殊效果颜料(铝银粉或珠光粉)的色漆,其有机溶剂含量超过80%。目前,保险杠用水性聚氨酯色漆源于德系车。水性聚氨酯具有良好的物理机械性能,特别是耐高低温冲击性能,具有柔韧(软段)和硬度(硬段)的平衡性能,含有大量的氢键结构,非常适合用于保险杠底色漆的成膜物。由于水性涂料具有较大的收缩性,因此能更好地帮助金属颜料薄片的平行排列,能提供较好的效果颜料外观。

采用脂肪族异氰酸酯为原料的水性聚氨酯具有优异的耐光耐候性。其中典型的脂肪族二异氰酸酯有HDI、IPDI、H12MDI。保险杠的色漆配方可以采用基于HDI的水性聚氨酯为成膜物来制备,可达到PP保险杠优良的韧性以及耐冲击性能。

基于脂肪族异氰酸酯为原料的聚氨酯分散体非常适合用于保险杠底色漆的成膜物。外饰塑料件的色漆配方可以采用PUD作为成膜物,也可以与一定量的丙烯酸乳液混拼以达到平衡成本的目的。

此外,用于保险杠水性色漆的聚氨酯分散体,必须具备良好的低温成膜性能、耐水性能、层间附着力以及适当的干燥速度。

2.3保险杠用清漆

保险杠清漆需具有优异的外观、耐化学品以及耐候性,以保护保险杠不受外界气候、紫外伤害、化学品侵蚀以及物理或洗车时的刮蹭,此外还需与基材有良好的匹配性。目前绝大部分的保险杠清漆都是双组分聚氨酯涂料体系。双组分聚氨酯可以通过原材料的选择搭配,匹配保险杠基材的韧性,并且在80℃的低温烘烤下,依然能满足流平均匀、高光泽、高饱满度、以及耐候耐化学品的要求。另外,优化过的双组分聚氨酯清漆具有明显的自修复功能,即使被刮伤后也能自修复到原有的高光泽外观。最通常使用的双组分聚氨酯涂料就是通过异氰酸酯基团(—NCO)和主树脂中的活性羟基(—OH)反应来交联,从而达到优异的漆膜性能。使用脂肪族多异氰酸酯的聚氨酯体系,具备优异的耐候性;双组分聚氨酯交联后形成的氨酯键能够耐多种化学品;氨酯键之间还能形成氢键,使漆膜硬且柔韧,具有抗石击、耐刮擦甚至自修复等功能;而这些功能都是汽车涂料所要求的。图9为聚氨酯涂膜的自修复过程示意图。

 

图9聚氨酯涂膜自修复过程

保险杠用清漆体系,目前以溶剂型双组分聚氨酯涂料为主。2006年曾有水性高光清漆用于塑料涂装,但是由于施工可操作性的限制,并未得到广泛应用。在VOC法规的推动下,为进一步降低VOC排放,高固清漆成为研究热点。采用低黏度的固化剂可使用较少溶剂即能调节涂料至施工黏度,显著减少溶剂的使用,并达到较高的施工固含。表1为科思创推出的可用于保险杠高固清漆配方的固化剂产品。

表1保险杠清漆常用固化剂

 

在保险杠清漆体系中,采用低黏度固化剂,不仅能有效降低清漆中有机溶剂的含量,降低VOC排放,而且在性能方面也具有很大的改善,例如保光性、附着力和耐水性能。表2为采用相同的水性单组分底漆、水性单组分色漆以及清漆的A组分,样品1使用的是标准三聚体的固化剂,样品2采用的是低黏度固化剂[m(N3600)∶m(N3900)=1∶1混拼]。

从表2可以看出,40℃×10d的耐水测试后可以看出样品2的保光率为82.3%,高于样品1的76.6%。耐水后的附着力测试中,样品1的涂层有轻微掉落,附着力在1~2级之间,样品2使用低黏度固化剂后,切割边缘无明显脱落,附着力≤1级。这是由于低黏度的固化剂由于黏度较低更容易渗透到色漆层甚至底漆层,从而提高附着力,获得更好的整体涂层的耐水性能。

表2不同清漆固化剂对整体涂层性能的影响

 

3 保险杠涂料的发展趋势

随着汽车产销量的日益增长,对配套的塑料部件的需求也将日益增加,汽车保险杠涂料的需求也将日益扩大。这对于行业链上的各个环节都将带来机遇。在中国日趋严格的环保法规的驱动下,以及人们环保意识的不断增强,汽车主机厂要求配件与车身主体配套,不断推进对底漆与色漆的水性化发展。而且在德国日本等发达国家,保险杠水性底漆和色漆已经成功应用多年,这将加速保险杠涂料在中国的水性化进程。

随着新能源汽车的不断发展,节能减排的不断升级,减轻汽车自重会是有效的办法之一,进而将来的汽车可能会使用更多塑料部件,特别对可实现多种塑料基材附着良好,可低温固化并能实现一体化涂装的聚氨酯技术提出更多的要求,以满足对汽车生产的品质、效率及成本的控制。

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